Denitrification in an oligotrophic estuary: a delayed sink for riverine nitrate

低營(yíng)養(yǎng)河口的反硝化作用-河流硝酸鹽的延遲沉降

來源：Mar Ecol Prog Ser 583: 63–80, 2017

 

論文摘要

摘要指出，河口通常被視為河流硝酸鹽的天然過濾器，但關(guān)于其在寡營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)中作為氮匯的知識(shí)十分有限。本研究測(cè)量了波羅的海北部一個(gè)寡營(yíng)養(yǎng)河口（奧勒河口）在春季和夏季的泥質(zhì)和非滲透性沙質(zhì)沉積物中的氮?dú)猱a(chǎn)量（反硝化作用和厭氧氨氧化），以評(píng)估其在減緩河流硝酸鹽負(fù)荷方面的功能。兩種沉積物類型具有相似的反硝化速率，且未檢測(cè)到厭氧氨氧化。在春季高硝酸鹽負(fù)荷時(shí)期，反硝化作用可能受限于活性有機(jī)碳的可用性。在夏季，平均反硝化速率約為138 μmol N m?2 d?1。相應(yīng)的8月份河口氮去除總量約為1.2噸，其中約93%是通過耦合的硝化-反硝化作用去除的。河口的顆粒物主要來源于浮游植物（表層水中>70%），其很可能利用了未被水體分層直接反硝化去除的河流硝酸鹽。隨后沉降的顆粒物充當(dāng)了表層水硝酸鹽與底棲氮去除之間的連接紐帶。研究表明，春季洪水期間輸入寡營(yíng)養(yǎng)河口的河流硝酸鹽，在暫時(shí)“截留”于浮游植物顆粒物中后，是逐漸地、延遲地被底棲反硝化作用去除的。該寡營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)由于磷限制，不太可能面臨氮負(fù)荷增加導(dǎo)致的富營(yíng)養(yǎng)化。因此，耦合的硝化-反硝化速率可能保持穩(wěn)定，這可能導(dǎo)致未來有更多的硝酸鹽輸出到外海，并降低該河口相對(duì)于負(fù)荷的氮匯功能。

研究目的

本研究旨在探究一個(gè)關(guān)鍵問題：在營(yíng)養(yǎng)貧乏的河口環(huán)境中，沉積物反硝化作用作為河流硝酸鹽“過濾器”的效率如何？具體目的包括：

 

量化去除效率：直接測(cè)量奧勒這個(gè)寡營(yíng)養(yǎng)河口沉積物的反硝化速率，估算其去除河流硝酸鹽負(fù)荷的絕對(duì)量和相對(duì)比例。

比較沉積物類型：探究不同的沉積物類型（泥質(zhì) vs. 沙質(zhì)）是否對(duì)反硝化速率和路徑產(chǎn)生顯著影響。

揭示限制因素：確定在河流輸入的高負(fù)荷期（春季）和低負(fù)荷期（夏季），控制反硝化作用的關(guān)鍵環(huán)境因子是什么（例如，硝酸鹽供應(yīng)、有機(jī)碳可用性）。

 

闡明耦合機(jī)制：研究水體中的硝酸鹽是如何通過生物地球化學(xué)過程（特別是浮游植物吸收-沉降-底棲礦化-硝化-反硝化這一序列）與沉積物反硝化作用聯(lián)系起來的，并評(píng)估是否存在時(shí)間上的延遲。

 

研究思路

研究遵循了“空間梯度采樣-時(shí)間序列對(duì)比-多參數(shù)關(guān)聯(lián)分析”的思路：

 

現(xiàn)場(chǎng)采樣設(shè)計(jì)：在2015年4月（春季洪水期，高負(fù)荷）和8月（夏季低流量期，低負(fù)荷）對(duì)奧勒河口進(jìn)行兩次航次調(diào)查。采樣點(diǎn)沿一條橫跨河口、大致遵循河流羽流方向的斷面布設(shè)，涵蓋了泥質(zhì)和沙質(zhì)沉積物區(qū)域。圖1清晰地展示了研究區(qū)域和采樣站點(diǎn)的空間分布。

環(huán)境背景監(jiān)測(cè)：同步測(cè)量了水體鹽度、溫度分層結(jié)構(gòu)（圖3）、河流流量和硝酸鹽濃度（圖2），以及水體不同層次顆粒有機(jī)物的濃度和碳氮同位素組成（圖6），為反硝化速率提供環(huán)境背景。

 

 

 

 

 

核心過程測(cè)量：

 

使用同位素配對(duì)技術(shù)（IPT）培養(yǎng)沉積物柱樣，精確測(cè)量由水體硝酸鹽直接支持的反硝化（Dw）和由沉積物內(nèi)部硝化作用支持的反硝化（Dn）。

使用丹麥Unisense氧微電極測(cè)量沉積物氧氣剖面，確定氧滲透深度，并評(píng)估沉積物的氧化還原狀態(tài)（圖4）。

 

 

分析沉積物基本特性（粒度、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量等）。

 

源解析與整合分析：利用顆粒有機(jī)物的C:N比值和δ13C值（圖7）進(jìn)行端元混合模型分析，追溯水體顆粒物的來源（陸源 vs. 浮游植物源）。最后，將反硝化速率、環(huán)境參數(shù)和顆粒物來源數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建河口氮循環(huán)的概念模型。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測(cè)量了多個(gè)方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

水文與沉積物物理特性（界定研究系統(tǒng)的物理背景）

 

測(cè)量指標(biāo)：河流流量、水體鹽度/溫度剖面、沉積物類型、孔隙度、滲透性。

研究意義：圖2和 圖3的數(shù)據(jù)表明，河口存在強(qiáng)烈的分層現(xiàn)象，河流淡水羽流局限于表層，與底層沉積物分離。這直接意味著河流輸入的硝酸鹽不能直接與沉積物接觸，暗示了反硝化作用的“延遲”機(jī)制。沉積物特性分析表明，即使是沙質(zhì)沉積物也因富含細(xì)顆粒物質(zhì)而表現(xiàn)為“非滲透性”，這意味著溶質(zhì)運(yùn)輸主要靠擴(kuò)散而非平流，使得泥質(zhì)和沙質(zhì)沉積物在傳輸過程上更具可比性。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2、圖3和 Table 1。

 

沉積物氧氣剖面與氧滲透深度（揭示反硝化發(fā)生的氧化還原環(huán)境）

 

測(cè)量指標(biāo)：沉積物中氧氣的垂直分布剖面、氧滲透深度。

研究意義：圖4展示的氧氣剖面是使用丹麥Unisense氧微電極測(cè)量的。數(shù)據(jù)顯示兩種沉積物都具有典型的擴(kuò)散傳輸特征（拋物線型曲線），并且氧滲透深度在季節(jié)間存在顯著差異（夏季變淺）。這表明沉積物內(nèi)部的氧化還原條件隨季節(jié)變化，夏季有機(jī)質(zhì)輸入增加導(dǎo)致氧氣消耗加劇，好氧-厭氧界面更靠近沉積物-水界面，這為反硝化作用創(chuàng)造了更有利的（更淺的）厭氧區(qū)域。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4和 Table 1。

 

反硝化速率及其路徑（直接量化氮去除能力與機(jī)制）

 

測(cè)量指標(biāo)：總反硝化速率、由水體硝酸鹽直接支持的反硝化（Dw）、由沉積物硝化作用支持的反硝化（Dn）。

研究意義：圖5的關(guān)鍵結(jié)果表明，春季的反硝化速率測(cè)量不符合IPT技術(shù)的假設(shè)（D15與添加的15NO3-濃度無依賴關(guān)系），表明反硝化過程并非受硝酸鹽限制，而是受其他因素（如活性有機(jī)碳）限制。到了8月，測(cè)量有效，顯示反硝化速率在兩種沉積物間無顯著差異，且絕大部分（87-95%）的反硝化由沉積物內(nèi)部的硝化作用（Dn）支持。這直接證明了河流硝酸鹽的去除主要是一種間接的、耦合的過程，而非直接利用上覆水中的硝酸鹽。

 

數(shù)據(jù)來源：圖5和 Table 1。

 

水體顆粒物組成與來源（連接水體過程與底棲反應(yīng)的橋梁）

 

測(cè)量指標(biāo)：顆粒有機(jī)碳/氮濃度、C:N比值、δ13C值。

研究意義：圖6和 圖7以及 Table 2的數(shù)據(jù)表明，河口顆粒物主要來源于浮游植物（>70%），并且其δ13C值更接近海洋浮游植物信號(hào)而非陸源植物。這提供了關(guān)鍵證據(jù)，支持了“河流硝酸鹽首先被河口的浮游植物吸收，轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)氮，然后沉降到沉積物表面”這一假設(shè)。這些沉降的藻類顆粒為沉積物微生物提供了活性有機(jī)碳和氮源，從而驅(qū)動(dòng)了耦合的硝化-反硝化過程。近底層水在8月出現(xiàn)POC和PON富集，可能暗示了再懸浮事件，將更多的有機(jī)質(zhì)輸送到沉積物。

 

數(shù)據(jù)來源：圖6、圖7和 Table 2。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極被用于測(cè)量沉積物中的氧氣微剖面。其研究意義至關(guān)重要，體現(xiàn)在它提供了關(guān)于沉積物內(nèi)部氧化還原結(jié)構(gòu)的高分辨率信息，這對(duì)于理解和解釋反硝化過程的時(shí)空動(dòng)態(tài)具有決定性作用：

 

精確界定反硝化“活性區(qū)”：反硝化作用嚴(yán)格發(fā)生在厭氧環(huán)境中。Unisense微電極能夠以250微米的高分辨率精確測(cè)定氧氣濃度降至檢測(cè)不出的深度，即氧滲透深度。如圖4所示，該研究成功測(cè)量了不同站點(diǎn)和季節(jié)的氧滲透深度。發(fā)現(xiàn)夏季的氧滲透深度普遍淺于春季，這直觀地證明了由于溫度升高和新鮮有機(jī)質(zhì)輸入增加，夏季沉積物的耗氧量更大，厭氧層更早出現(xiàn)。這就為反硝化細(xì)菌的活性劃定了一個(gè)更淺、更易接近的“活性區(qū)”，從機(jī)理上解釋了為什么夏季能觀測(cè)到有效的反硝化作用。

指示有機(jī)質(zhì)降解與代謝活性：沉積物中的氧氣消耗主要來源于有機(jī)質(zhì)的微生物降解和化學(xué)氧化。氧滲透深度的季節(jié)變化（夏季變淺）是沉積物總代謝活性增強(qiáng)的直接指標(biāo)。這表明夏季有更多的活性有機(jī)質(zhì)（很可能是春季水華后沉降的浮游植物殘?bào)w）被輸送到沉積物，刺激了微生物呼吸，消耗了更多的氧氣，從而為厭氧過程（如反硝化）創(chuàng)造了條件。微電極數(shù)據(jù)將“表層水體初級(jí)生產(chǎn)-有機(jī)質(zhì)沉降-底棲呼吸”這一耦合過程與反硝化作用的啟動(dòng)聯(lián)系起來。

支持沉積物類型比較：研究發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)和沙質(zhì)沉積物的氧氣剖面形狀相似（圖4），均為擴(kuò)散主導(dǎo)的拋物線型。這一發(fā)現(xiàn)支持了沉積物滲透性測(cè)量結(jié)果——即所謂的沙質(zhì)沉積物實(shí)際上是“非滲透性的 cohesive sands”。如果沙質(zhì)沉積物是滲透性的，其氧氣剖面會(huì)因平流輸送而表現(xiàn)出不同的形狀（如階梯狀）。微電極數(shù)據(jù)因此幫助確認(rèn)了兩種沉積物在物理傳輸過程（擴(kuò)散主導(dǎo)）上具有可比性，這反襯出它們反硝化速率相似的結(jié)果更可能是由共同的限制因素（如有機(jī)碳質(zhì)量）所致，而非不同的物理傳輸機(jī)制。

 

排除直接反硝化路徑：非常深的氧滲透深度（特別是在春季）意味著溶解氧可以滲透到沉積物較深處。這使得從上覆水通過擴(kuò)散直接進(jìn)入沉積物的硝酸鹽（NO3-）在到達(dá)厭氧區(qū)之前，有更長(zhǎng)的路徑需要穿過有氧區(qū)，從而更容易被好氧微生物消耗（例如被同化或用于呼吸）。這為解釋為什么春季的直接反硝化路徑（Dw）貢獻(xiàn)極低（5-13%）提供了環(huán)境背景：氧化性的沉積物表層就像一個(gè)“屏障”，物理上阻礙了水體硝酸鹽直接到達(dá)反硝化菌所在的厭氧位點(diǎn)。

 

總之，Unisense氧微電極在本研究中扮演了“沉積物氧化還原狀態(tài)的診斷工具”角色。它提供的不僅是氧滲透深度這一個(gè)數(shù)值，更是對(duì)整個(gè)沉積物-水界面區(qū)化學(xué)微環(huán)境的刻畫。這些數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地支持了核心結(jié)論：寡營(yíng)養(yǎng)河口的反硝化作用是一個(gè)延遲的、由內(nèi)部循環(huán)驅(qū)動(dòng)的過程，其活性受控于表層水體初級(jí)生產(chǎn)所產(chǎn)生的新鮮有機(jī)質(zhì)的沉降和降解，而微電極揭示的氧化還原結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)正是這一耦合過程在沉積物中的直接體現(xiàn)。

研究結(jié)論

 

延遲的氮匯：奧勒這個(gè)寡營(yíng)養(yǎng)河口是河流硝酸鹽的有效氮匯，但其作用方式存在延遲。河流在春季洪水期輸入的大量硝酸鹽并非直接被底棲反硝化作用去除，而是先被河口的浮游植物吸收，轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)氮，隨后沉降到沉積物，再經(jīng)過礦化、硝化，最終通過反硝化作用以氮?dú)庑问饺コ?

耦合過程主導(dǎo)：反硝化作用主要由沉積物內(nèi)部的耦合硝化-反硝化（Dn）路徑主導(dǎo)（占93%），而直接利用上覆水硝酸鹽的路徑（Dw）貢獻(xiàn)很小。這強(qiáng)調(diào)了沉積物內(nèi)部氮循環(huán)耦合的重要性。

碳限制而非氮限制：在春季高硝酸鹽負(fù)荷期，反硝化作用并未達(dá)到預(yù)期的高速率，表明其當(dāng)時(shí)主要受活性有機(jī)碳的可用性限制，而非硝酸鹽的供應(yīng)。這與寡營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)總體貧乏的特征一致。

沉積物類型影響小：盡管物理性質(zhì)不同，但泥質(zhì)和沙質(zhì)沉積物在反硝化速率和路徑上沒有顯著差異。這可能是由于該區(qū)域的沙質(zhì)沉積物實(shí)際上是非滲透性的，溶質(zhì)傳輸都以擴(kuò)散為主，且有機(jī)質(zhì)質(zhì)量可能是比沉積物類型更關(guān)鍵的控制因素。

系統(tǒng)穩(wěn)定性與未來展望：由于該河口是磷限制系統(tǒng)，即使氮負(fù)荷增加，初級(jí)生產(chǎn)也難以顯著提高，因此耦合硝化-反硝化速率可能保持穩(wěn)定。這意味著隨著未來氮負(fù)荷持續(xù)增加，河口去除氮的比例（效率）可能會(huì)下降，導(dǎo)致更多硝酸鹽“泄漏”到外海，從而削弱其作為氮匯的相對(duì)功能。